CN116256143B - 一种管风洞喷管与试验段一体化结构及运行方法 - Google Patents

Abstract

一种管风洞喷管与试验段一体化结构及运行方法，属于管风洞技术领域，本发明为了解决管风洞喷管结构复杂，对配套***要求高的问题。包括一体化试验段、短化喷管、开孔板和下游膜片；一体化试验段的中部设有收缩的阶梯形中段内壁，短化喷管同轴设置在一体化试验段内，短化喷管的入口位于中段内壁左端的下游，短化喷管的出口位于中段内壁右端的上游；短化喷管和中段内壁之间设有开孔板，一体化试验段的出口与真空管体连接，一体化试验段和真空管体之间设有下游膜片，本发明将管风洞的喷管与试验段融为一体，所提出的结构形式，没有复杂的作动控制机构，在工程实际应用中具有可操作性。

Description

一种管风洞喷管与试验段一体化结构及运行方法

技术领域

本发明属于管风洞技术领域，尤其涉及一种管风洞喷管与试验段一体化结构及运行方法。

背景技术

常规超声速风洞试验段来流压力脉动可达5%，通常比实际飞行环境高出一到两个数量级，对模型气动特性测量有显著影响，特别是对模型壁面边界层流动状态的影响。已有试验结果与飞行数据的对比分析表明，试验段背景扰动对转捩雷诺数影响较大，且不同风洞由于扰动水平存在差异，试验结果不一致。

风洞试验段测到的扰动由驻室产生的扰动和喷管壁面湍流边界层的随机小涡扰动等组成。其中，扰动类型主要包括温度不均匀形成的“熵斑”（也称熵波）、速度不规则脉动（也称涡波）、压力不规则脉动（也称声波）。随着喷管马赫数的增加，壁面随机小涡扰动影响加强。

管风洞作为一种特殊的脉冲设备，洞体包括一根长的等直径管子，一端密封、另一端装有膜片或快速阀，下游接喷管、试验段和真空罐。由于结构简单，不需要阻尼网、蜂窝器、阀门等其他特殊设备，使其流场品质具有先天优势。因此，超声速管风洞低扰动设计的核心是抑制喷管壁面随机小涡扰动。

降低喷管壁面紊流边界层的随机小涡扰动，关键是要保持喷管壁面尽可能长的边界层层流状态。重要措施之一是在喷管的进口消除驻室和收缩段壁面边界层对喷管边界层流动的影响，喉道前方设置抽吸装置，围绕喉道构造一条抽吸流道，抽吸流道的后方通过设置截止阀和连接真空抽吸***来实现对边界层的排异，为了适应不同工况的需求，一般要求背压可调，特别是对内部流道的设计要求极为苛刻。

公告号为CN207923408U的实用新型专利公开了一种低扰动宽马赫数风洞层流双喷管，为了解决宽马赫数范围内层流化设计的问题，提出了一种层流双喷管，包括上游高马赫数喷管、高速整流段和下游带边界层抽吸的低马赫数喷管，在一定程度上解决了抽吸效果与运行马赫数、喷管收缩比及运行状态之间的匹配关系。但是，双喷管的使用在一定程度上增加了结构的复杂性。同时，双喷管的存在也带来了喷管起动过程中流动容积的增加，使得起动过程加长，需要损失部分有效运行时间。

因此，如何充分发挥管风洞优势，尽可能减少对配套***要求来实现层流化设计技术需要进一步发展。

发明内容

本发明的目的是提供一种管风洞喷管与试验段一体化结构及运行方法，以解决管风洞喷管结构复杂，对配套***要求高的问题。本发明所采用的技术方案如下：

一种管风洞喷管与试验段一体化结构，包括一体化试验段、短化喷管、开孔板和下游膜片；

设定一体化试验段的左端为入口、右端为出口，一体化试验段的内壁包括沿气流流向依次设置的上游段内壁、中段内壁和下游段内壁，中段内壁的直径分别小于上游段内壁和下游段内壁；

短化喷管同轴设置在一体化试验段内，短化喷管的入口位于中段内壁左端的下游，短化喷管的出口位于中段内壁右端的上游；

短化喷管的外周和中段内壁之间设有环形的抽吸流道，所述抽吸流道内布满开孔板，一体化试验段的入口与驱动管体连接，一体化试验段的出口与真空管体连接，一体化试验段和真空管体之间设有下游膜片，短化喷管的出口至一体化试验段的出口之间形成试验区，试验模型设置在所述试验区内；

开孔板的开孔面积A应满足下式：

；

式中：

r为短化喷管的喉道结构半径，单位为m；

π为圆周率。

进一步的，一体化试验段与驱动管体通过法兰连接。

进一步的，一体化试验段与真空管体通过法兰连接。

进一步的，上游段内壁和中段内壁通过向右收缩的锥筒形内壁相连。

进一步的，中段内壁和下游段内壁通过向右扩散的锥筒形内壁相连。

进一步的，开孔板分别与一体化试验段和短化喷管可拆卸连接，开孔板为若干个，若干开孔板中的任意一个设置在所述抽吸流道内。

本发明还提供了一种管风洞喷管与试验段一体化结构运行方法，依托于上述一种管风洞喷管与试验段一体化结构实现，包括如下步骤：

步骤一：在所述试验区安装试验模型，在一体化试验段与真空管体之间设置下游膜片，按照试验运行参数的要求，向一体化试验段内充气，对真空管体进行抽真空；

步骤二：使下游膜片破裂。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

1、本发明将管风洞的喷管与试验段融为一体，解决了管风洞喷管结构复杂，对配套***要求高的问题，对于超声速管风洞试验，可以直接用一体化试验段本身的低压作为抽吸的背压源，为了适用宽马赫数运行工况的需要，在短化喷管与一体化试验段之间设置开孔板，形成对背压的控制。

2、本发明所提出的结构形式，没有复杂的作动控制机构，在工程实际应用中具有可操作性。

3、根据试验需要更换成不同开孔率的开孔板，可满足对不同流量排移的需求。

4、一体化试验段可以直接与上下游管路连接，对于已有设备，可以直接替换已有的喷管段和试验段，对原有设备改动量小。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是一体化试验段的结构示意图。

图中：1-一体化试验段、11-上游段内壁、12-中段内壁、13-下游段内壁、2-短化喷管、3-开孔板、4-下游膜片、5-驱动管体、6-真空管体。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面通过附图中示出的具体实施例来描述本发明。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。

本发明所提到的连接分为固定连接和可拆卸连接，所述固定连接即为不可拆卸连接包括但不限于折边连接、铆钉连接、粘结连接和焊接连接等常规固定连接方式，所述可拆卸连接包括但不限于螺栓连接、卡扣连接、销钉连接和铰链连接等常规拆卸方式，未明确限定具体连接方式时，默认可在现有连接方式中找到至少一种连接方式实现该功能，本领域技术人员可根据需要自行选择。例如：固定连接选择焊接连接，可拆卸连接选择螺栓连接。

以下将结合附图，对本发明作进一步详细说明，以下实施例是对本发明的解释，而本发明并不局限于以下实施例。

实施例一：如图1、2所示，一种管风洞喷管与试验段一体化结构，包括一体化试验段1、短化喷管2、开孔板3和下游膜片4；

设定一体化试验段1的左端为入口、右端为出口，一体化试验段1的内壁包括沿气流流向依次设置的上游段内壁11、中段内壁12和下游段内壁13，上游段内壁11、中段内壁12和下游段内壁13均为直筒形内壁，中段内壁12的直径分别小于上游段内壁11和下游段内壁13；中段内壁12设置成台阶形的收缩形式，可达到一定的收缩比，起到常规暂冲式风洞稳定段的作用，在一定程度上，可达到整流的效果。

短化喷管2同轴设置在一体化试验段1内，短化喷管2的内周包括沿气流流向依次相连的收缩段结构、喉道结构和扩散段结构，短化喷管2的入口位于中段内壁12左端的下游，短化喷管2的出口位于中段内壁12右端的上游；短化喷管2的外周和中段内壁12之间设有环形的抽吸流道，所述抽吸流道内布满开孔板3，一体化试验段1的入口与驱动管体5连接，一体化试验段1的出口与真空管体6连接，一体化试验段1和真空管体6之间设有下游膜片4，短化喷管2的出口至一体化试验段1的出口之间形成试验区，试验模型设置在所述试验区内；短化喷管2的出口下游直接用于试验，从而简化了结构设计。为了获得最佳的流场品质，试验模型应布置在短化喷管2的理论第一菱形区内。

开孔板3的开孔率确定依据：

短化喷管2的设计不同于常规超声速风洞的喷管，除了其喉道结构下游要尽可能抑制边界层发展外，更要满足层流喷管设计对上游抽吸流道的要求，因此，对其收缩段结构长度有要求。开孔板3的开孔面积要满足流量守恒的条件，为了使得流量控制精度更高，严格保证所述抽吸流道入口处的流动马赫数，本实施例要求开孔板3处的气流流动速度达到当地声速，保证所述抽吸流道入口处的流动马赫数在0.3左右，抽吸效率在10%到50%之间，即有以下面积关系：

开孔板3的开孔面积A应满足下式：

；

式中：

r为短化喷管2的喉道结构半径，单位为m；

π为圆周率。

通过开孔板3的开孔面积A，可直接确定开孔板3的开孔率。

对于超声速管风洞试验，可以直接用一体化试验段1本身的低压作为抽吸的背压源，为了适用宽马赫数运行工况的需要，在短化喷管2与一体化试验段1之间设置开孔板3，形成对背压的控制。

短化喷管2与一体化试验段1的内部连接形式：

可以根据短化喷管2的不同形式采用不同的连接方式：对于二元喷管，可采用上下壁或左右壁开设抽吸流道的形式，另一侧可以采用实壁，即短化喷管2可直接与一体化试验段1的内壁面连接；对于三维轴对称的喷管，可采用沿周向开环缝的形式，通过沿周向设置一定数量的轴向外加强筋与一体化试验段1的内壁面相连。

一体化试验段1与上下游的连接形式：

本实施例中的一体化试验段1可以直接与上下游管路连接，对于已有设备，可以直接替换已有的喷管段和试验段，对原有设备改动量小。对于超声速管风洞，一体化试验段1的上游管体一般不需要进行加热，一体化试验段1可以直接采用法兰与驱动管体5连接。同样，一体化试验段1也可采用法兰与下游真空管体6连接。

本发明所提出的结构形式，没有复杂的作动控制机构，在工程实际应用中具有可操作性。

一体化试验段1与驱动管体5通过法兰连接。

一体化试验段1与真空管体6通过法兰连接。

上游段内壁11和中段内壁12通过向右收缩的锥筒形内壁相连。

中段内壁12和下游段内壁13通过向右扩散的锥筒形内壁相连。

开孔板3分别与一体化试验段1和短化喷管2可拆卸连接，开孔板3为若干个，若干开孔板3的开孔面积各不相同，若干开孔板3中的任意一个设置在所述抽吸流道内。根据试验需要更换成不同开孔面积的开孔板3，可满足对不同流量排移的需求。

实施例二：一种管风洞喷管与试验段一体化结构运行方法，依托于实施例一所述的一种管风洞喷管与试验段一体化结构实现，包括如下步骤：

步骤一：在所述试验区安装试验模型，在一体化试验段1与真空管体6之间设置下游膜片4，按照试验运行参数的要求，向一体化试验段1内充气，对真空管体6进行抽真空；

步骤二：使下游膜片4破裂。

当下游膜片4破裂后，会在一体化试验段1和真空管体6之间形成一道间断面，一体化试验段1内产生激波向下游真空管体6运动，与此同时，一体化试验段1内还会形成一道膨胀波向上游驱动管体5运动。上游驱动管体5中的高压静止气体在膨胀波的作用下，会产生向下游运动的速度，从而形成管风洞内的气体流动。

气流在经过一体化试验段1后，在内壁面附近会形成边界层，在短化喷管2的入口处，由于所述抽吸流道的抽吸作用，气流会分成两部分：低速边界层部分通过所述抽吸流道道排移到一体化试验段1的下游，高速核心流动则通过短化喷管2进行加速，形成试验段流场。

以上实施例只是对本发明的示例性说明，并不限定它的保护范围，本领域技术人员还可以对其局部进行改变，只要没有超出本发明的精神实质，都在本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.一种管风洞喷管与试验段一体化结构，其特征在于：包括一体化试验段（1）、短化喷管（2）、开孔板（3）和下游膜片（4）；

设定一体化试验段（1）的左端为入口、右端为出口，一体化试验段（1）的内壁包括沿气流流向依次设置的上游段内壁（11）、中段内壁（12）和下游段内壁（13），中段内壁（12）的直径分别小于上游段内壁（11）和下游段内壁（13）；

短化喷管（2）同轴设置在一体化试验段（1）内，短化喷管（2）的入口位于中段内壁（12）左端的下游，短化喷管（2）的出口位于中段内壁（12）右端的上游；

短化喷管（2）的外周和中段内壁（12）之间设有环形的抽吸流道，所述抽吸流道内布满开孔板（3），一体化试验段（1）的入口与驱动管体（5）连接，一体化试验段（1）的出口与真空管体（6）连接，一体化试验段（1）和真空管体（6）之间设有下游膜片（4），短化喷管（2）的出口至一体化试验段（1）的出口之间形成试验区，试验模型设置在所述试验区内；

开孔板（3）的开孔面积A应满足下式：

；

式中：

r为短化喷管（2）的喉道结构半径，单位为m；

π为圆周率。

2.根据权利要求1所述的一种管风洞喷管与试验段一体化结构，其特征在于：一体化试验段（1）与驱动管体（5）通过法兰连接。

3.根据权利要求2所述的一种管风洞喷管与试验段一体化结构，其特征在于：一体化试验段（1）与真空管体（6）通过法兰连接。

4.根据权利要求1所述的一种管风洞喷管与试验段一体化结构，其特征在于：上游段内壁（11）和中段内壁（12）通过向右收缩的锥筒形内壁相连。

5.根据权利要求4所述的一种管风洞喷管与试验段一体化结构，其特征在于：中段内壁（12）和下游段内壁（13）通过向右扩散的锥筒形内壁相连。

6.根据权利要求1-5任一项所述的一种管风洞喷管与试验段一体化结构，其特征在于：开孔板（3）分别与一体化试验段（1）和短化喷管（2）可拆卸连接，开孔板（3）为若干个，若干开孔板（3）中的任意一个设置在所述抽吸流道内。

7.一种管风洞喷管与试验段一体化结构运行方法，依托于权利要求1-6任一项所述的一种管风洞喷管与试验段一体化结构实现，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一：在所述试验区安装试验模型，在一体化试验段（1）与真空管体（6）之间设置下游膜片（4），按照试验运行参数的要求，向一体化试验段（1）内充气，对真空管体（6）进行抽真空；

步骤二：使下游膜片（4）破裂。

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